智能功率開關(IPS)：基本特征與保護

摘　要

不同的負荷條件時的IPS 選擇

電流和溫度保護

有源鉗位模式

以Vcc為 參考輸入的高端IPS的保護電路

　　智能功率開關(IPS)是IR的具有高低端保護的功率MOSFET。IPS器件被設計為可安全地處理平常的過載情況和一些非常的情況。在這篇設計提示中，我們將會看到IPS提供的一些最重要的，也是基本的保護功能。當然，文章開始我們還是主要先來討論各種不同的負載，以及基於對這些負載該如何選擇IPS。

1. 依據不同的負載選擇IPS

1-1 燈泡

　　如圖 1a 所示，來自一個燈泡的輸入浪涌電流能超過額定電流的 10 倍。因此具有電流限制功能的IPS成為首選。要確定過流保護值，即確定Ilim，就需要在功耗（線性模式）和保護水平這兩者之間有所取舍。通常選擇約6倍于額定的電流值作為最初的Ilim近似值。然而, 重要的是要確定結溫不會超過溫度保護值(Fig 1c)。要進行測試來驗證最高結溫和過溫保護值之間的差值是不是一個安全的值（如圖所示）。 如果需要的話,可以進行仿真（使用一個燈泡模型），求出詳細的溫度曲線。

1-2 感性負載

　　具有過流關斷和截流功能的IPS可以有效地保護感性負載。 在圍繞一個感性負載進行設計的時候,.有幾點必須注意。第一，對于電子機械部件（電磁閥,繼電器等），由於內部的氣隙而產生的沖擊電流尖峰不能觸發(fā)過流關斷。 其次，應該確定電流和溫度即使在最壞的情況下也不會超過保護值。第三，有源 鉗位效果(在第 3 節(jié)中描述)也必須考慮到。然而，對于第一次選取近似保護值，請使用數據表中給出的最大輸出電流相對負載電感曲線。（例如IPS511數據表中的圖10）。

1-3 阻性負載

　　具有過流關斷和截流功能的IPS可以有效地保護阻性負載。第一次設計時，近似保護值請依據數據表中的‘推薦工作條件表’和‘電流限值與結溫關系’的曲線圖（例如IPS511數據表中的圖13）。之后，必須評估最惡劣條件下的電流和溫度，以確定他們都在保護范圍之內。根據情況調整原始設計。

2.過流和過溫保護

　　在許多應用中,需要額外的保護線路來滿足系統(tǒng)的安全性和可靠性。兩種最通常的（和致命的）問題是過流和過溫。IR的IPS器件設計有針對這兩種基本問題的保護功能。

2-1過流關斷(OI)

　　過流關斷的前提很清楚：當電流超過關斷限值的時候，開關器件關斷。過流有兩種可能的模式。一個是在連續(xù)輸入的情況下，負載發(fā)生短路。 圖 2 顯示了這種情況下關斷的相關波形。另一種過流模式是在負載短路的情況下開關器件開通。圖 2b。給出了這種過流的關斷過程。從‘Ids與時間關系’曲線上可以評估關斷所需時間。 舉例來說，在圖 2a 中曲線2，關斷時間 (電流上升的起始點到后來返回正常值之間的時間) 大約是14微秒，而在圖 2b 中，它大約是11微秒。(電流關斷時間實際上是峰值電流，內部的延遲和dI/dt 斜率的函數。）注意Vcc上升的幅度，以確認在每次短路發(fā)生后有源鉗位都能有效動作。

　　復位時,保持輸入電壓為低，持續(xù)最小復位時間 (Treset), 該值在數據表中的保護特性一欄給出。

(a) 負載短路波形 (低端 IPS) (b) 漏極短路條件下開通波形 (低端 IPS)

Esd=3.3 mJ Vcc=14 V Esd=0.45mJ Vcc=14 V

2-2 截流 (Ilim)

　　在截流保護模式中，集成電路始終檢測漏極電流。 當漏極電流達到截流值Ilim，一個內部的電流環(huán)驅動功率 MOSFET 工作在線性狀態(tài)。然而，這個保護對于兩種可能的過流模式的反應有所不同。 第一種情形是，在器件開通狀態(tài)負載發(fā)生短路（圖 3a），在截流保護動作之前會有一個很陡的電流尖峰。 然而，在第二種情形中 (漏極短路的情況下開通器件)，截流就平滑許多。在圖2b中可以看到電流上沒有尖刺。當然，兩個情形的響應時間保證瞬時電流值在功率MOSFET的安全工作區(qū)內。截流保護一直持續(xù)到過溫保護動作（2-3段）。

(a) 負載短路波形 (b) 漏極短路條件下開通波形

2-3 過溫保護

　　過溫保護是對抗緩慢電流增加的最后一道防線，例如過載。從字面上看，當結溫超過關斷溫度時，Tsd( 典型值 165℃ ), 器件被關斷。 實際上，該保護會使器件閉鎖。 要復位IPS，保持輸入電壓為低，持續(xù)最小復位時間，Treset( 該值在數據表中的保護特性一欄給出)，當器件自動重啟動時（由于滯環(huán)現象），器件在結溫降到重啟動溫度值( 典型值 158 ℃)以下后開通。

　　在設計過溫保護之前必須清楚:

　　• 過溫關斷是一個保護。 不能按閥值功能使用它（如熱敏振蕩器或其它的）。如果按閥值使用，結溫會長時間停留在大約160℃，大大地影響（縮短）IPS的壽命。

　　• 有源鉗位 (第 3 節(jié)) 不受過溫保護影響。在鉗位或反偏狀態(tài)沒有辦法切斷電流(體兩極管)。

　　• 在某些特定環(huán)境中 ( 舉例來說在高的工作頻率下發(fā)生嚴重短路),可能發(fā)生熱擊穿。這一點請查閱有關高頻運行的設計提示。(DT99-5,第 3 節(jié))

2-4 在設計過流和過溫保護時需要重點考率的問題

　　Ids對應響應時間曲線 (I-T 曲線) 概括了IPS的特點。（IPS021數據表中的圖14就是一個例子）。圖 4 中典型的I-T曲線顯示那一段受過流保護支配，哪一段受過溫保護支配。

　　在圍繞負載設計電流路徑時，有兩點必須牢記。第一，該路徑的載流能力應始終高于曲線中所示的值，這樣不致于該路徑在過流保護動作之前燒毀。第二，負載的載流能力應始終低于曲線中所示的值，這樣可以 避免過流保護被誤觸發(fā)。

3.有源鉗位模式

3-1 有源鉗位的目的

　　切斷一個感性負載還需要考慮功率耗散能力。本質上負載儲存的能量（1/2*L*I2）只能通過功率MOSFET耗散掉。該功耗的大小并不依Rds(on)而定，而是更多地取決于芯片的能量等級和感性負載關斷鉗位電路。在負載電流衰減到零的續(xù)流時間是Vclamp的函數。Vclamp 越高，電流衰減越快。和傳統(tǒng)的快速泄放能量的方法相比（例如續(xù)流二極管，齊納二極管鉗位和MOSFET雪崩耐量），有源鉗位是最有效的泄放電感能量的方法。因此，所有IPS器件都集成了有源鉗位功能。

3-2 有源鉗位原理

　　有源鉗位的特點在圖 5 中給出。 在關閉狀態(tài)，當Vds> Vzener+ 二極管的Vf+MOSFET的Vthreshold，功率MOSFET重新被開通。另外，在這條泄放能量的電流通道上還有兩個大的阻抗，電阻和 MOSFET，有助釋放能量。( 注意，在有源鉗位狀態(tài)，MOSFET處于線性狀態(tài)，或稱高阻狀態(tài)。）負載很快地消磁，因為負載中的能量通過一個很大的電壓差釋放掉（Vcc -Vclamp）。該電壓差越大，去磁越快。

　　在有源鉗位期間由IPS泄放掉的能量是Vclamp 。電感中儲存的能量是[。因此，值得注意的是，在有源鉗位期間，器件上的功耗要比負載上的大。( 流經負載和IPS上的電流是相同的，但IPS上的電壓比負載上的高)。IPS上總的能耗可以用下面的公式計算出來： 

　　E IPS = (½.L.I²)x(Vclamp / (Vclamp - Vcc))

　　每個IPS 可以承受的最大感性負載可以從數據表中的Iclamp與感性負載關系曲線圖上估計出來。( 例如 IPS021L 數據表中的圖 15)

3-3有源鉗位期間熱的問題

　　鉗位狀態(tài)時，MOSFET工作在線性狀態(tài)，所以MOSFET的結溫會上升。如需要，結的溫升可用下面的方法估算出來：

Demag電流的 di/ dt： di/ dt=[ Vcc- Vcl]/L

鉗位時間： Tcl=Iclamp/Idi/dtI

鉗位平均電流： Icl avg=Iclamp/2

鉗位期間功耗： Pcl=Vcl*Icl avg

結溫升： DTj=Pcl*Rth(Tcl時)

注意：

負載電感量 (H)

電壓單位為 (V) 和電流單位為 (A)

Rth(為 Tcl) 為對應Tcl時的瞬態(tài)熱阻抗

(見 數據表中瞬態(tài)熱阻抗時間曲線)

3-4 高低端IPS的有源鉗位

　　以上的討論使用的例子是一個低端開關的結構。高端IPS器件工作情況一樣。 因為高端開關是在內部參考Vcc腳，它的漏極在鉗位期間低于地電位。圖 6a和6b分別給出了高端和低端開關有源鉗位的波形。

(a) 低端開關 (b) 高端開關

　　對于低端開關,鉗位回路包括了輸入管腳。可以通過在輸入管腳上串接電阻來限制吸入電流。在鉗位期間，如果又有信號輸入，IPS 產品能夠把負載重新開通。

4. 以Vcc為參考輸入的高端IPS的保護電路

　　以Vcc 為參考輸入的高端IPS不同于常規(guī)的高端IPS，它的輸入是以Vcc管腳為參考的。 以Vcc 為參考輸入的高端IPS 通常被用在汽車環(huán)境，因此需要如圖7中的附加保護電路，它由以下幾個器件組成:

(a)一個 shottky 二極管 (小電流的) ，在電池反向連接的情況下，可以避免在微處理器輸出端出現負電壓。

(b)一個齊納二極管，防止輸入端的電壓尖峰。
 
(c)一個電阻，Rin，用來限制二極管電流。這個電阻的最大值的計算如下：

這里：

Vcc min = 最低 Vcc 工作電壓 (V)

Vih = 高電平輸入啟動電壓 (V)

Iin on = 典型輸入電流值 (A)

(Vcc-Vin=Vih)

Vf = 二極管正向電壓降 (V)

Vce = 集電極電壓 (V)

Rin = 輸入阻抗（Ω）

(a)低端開關 (b)高端開關

　　以Vcc為 參考輸入的高邊 IPS，會有大電流流過Vcc管腳。此管腳上任何寄生的串聯阻抗可以顯著改變輸入開啟電壓，因為此寄生電阻上的電壓相當于給輸入加了一個電壓反饋。所以必須多花精力在電路板布線上，盡可能減小這些寄生阻抗。

5. 結論

　　這篇設計提示只是想給大家講一下IPS器件的基本特點和保護功能。對於進一步的關於這類器件的開關能力和故障診斷功能，請參閱設計提示DT99-5。而在設計提示DT99-6中會深入講解IPS在汽車應用環(huán)境中的工作情況。